基于线控全轮转向驱动的轮毂电动汽车操控稳定性研究-开题报告

基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究选题背景及意义1.1选题背景安全、节能与环保是汽车发展的方向和永恒主题，尤其在交通事故频发、世界能源紧张和环境日益恶化的今天显得格外重要。电子化、智能化、电动化、可再生化是实现安全、舒适、节能、环保的有效措施和手段。电动汽车作为一种新型交通工具，在缓解能源危机，促进人类与环境的和谐发展等方面具有传统内燃机汽车不可比拟的优势。因此，发展新能源汽车产业对于推动产业结构调整、促进节能减排、加快经济发展方式转变具有重要意义。近年来，迫于能源与环境的双重压力，推动新能源汽车产业的快速发展已经成为全球各个国家推进交通能源战略转型的重要措施。特别是在国际金融危机后，为抢占新一轮经济增长的战略制高点，主要汽车工业发达国家纷纷加大对电动汽车的研发投入并且加强政策支持力度[1,2]。世界各个国家的汽车研究单位以及高校也纷纷关注纯电动汽车的研究和开发，并且取得了许多重大的研究成果。目前，站在中国工业2025转型升级的重要节点上，发展新能源汽车工业已成为“十三五”既定国家战略，并确立了以推广纯电驱动为主的跨越式技术发展路线。在此格局下，开展纯电动汽车基础技术研究，对实现我国汽车工业在新能源领域的弯道超车格外重要。当前，传统集中式驱动燃油车的电动化改造已取得阶段性成果，并相续有量产的混合动力和纯电动汽车推出市场。此类电动汽车依赖集中式驱动结构，通过动力源电机化，并借助差速器和分动器实现二轮或全轮驱动。显然，这种对传统车辆结构的简单继承，除电机外特性曲线有所改善外，车辆驱动方式并未发生实质性改变，整车动力学品质和舒适性、经济性等改善较为有限，未能充分体现电机驱动技术优势。相比之下，采用分布式独立驱动、转向的轮毂电机驱动电动汽车（下称轮毂电动汽车），省略了传动系统，利用电机直接驱动车轮，各轮的运动状态相互独立。因此轮毂电动汽车从根本上颠覆了汽车驱动方式，为汽车运动和控制带来全新可能，成为极具潜力的汽车技术。图1分布式驱动轮毂电动汽车及其驱动单元1.2选题意义轮毂电动车能量传递环节少，能从根本上提高能源利用率，通过转矩的协调分配可实现节能控制；省略了传统汽车传动系统，增大了乘坐空间，简化了整车结构可实现底盘灵活布局，对汽车整备质量轻量化贡献较大，可显著减低制造成本，并进一步增加电动汽车续驶里程；车辆具有更多可控自由度，减少了对额外传感器和执行器的依赖，便于实现SBW、SBB、SBD、TCS、DYC、ASR、ESP、AFS等主动安全技术的集成控制，能显著增强极限工况下车辆稳定性储备裕度，从而使车辆拥有更佳的主动安全性。因此，业界亦将轮毂电车称之为电动汽车的终极驱动形式[3]。目前，轮毂电动汽车尚处在研发中，国内外许多高校企业都投入了大量精力，也取得许多喜人的研究成果，但是其距离实际量产依旧还存在许多关键技术难题，其中最为迫切的是轮毂电动汽车操控稳定性研究。车辆的操纵稳定性是指在驾驶员不感到过分紧张、疲劳的条件下，车辆能遵循驾驶员意图行驶的能力，且当遭遇外界干扰时，车辆能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力[4]，主要强调车辆对侧向动力控制，它是决定极限转向等情况下车辆安全性能的主要因素，也是车辆动力学品质最基本的保证，因此稳定性控制是车辆动力学控制的核心内容。由于采用分布式驱动，轮毂电动汽车各执行机构间不存在确定的机械约束，因此整车牵引控制效果依赖于各执行机构的协调，其结构形式与传统汽车相差巨大。虽放宽了对控制系统设计的限制，却对控制系统提出了更高的要求。主要差异表现在四轮独立转向、四轮独立驱动、四轮独立制动的轮毂电动车是过驱系统，需要对四个独立驱动、独立转向的车轮进行转矩分配和转角控制，以满足对车辆横摆角速度、质心侧偏角、纵向速度等状态变量的跟踪控制，即执行器输出变量与被控状态变量之间是映射关系不唯一，系统自由度高度冗余；同时，传统的围绕着某一特定控制目标设计的稳定性控制系统相对封闭独立，当多个子系统同时作用时，由于车辆的耦合特性，控制目标间普遍存在冲突与干扰，从而难以通过平台迁移实现轮毂电动车稳定性控制。理论上，轮毂电动汽车虽然相对于传统汽车有巨大优势，但实际由于轮毂电动汽车的相关研究与传统汽车的研究问题完全不同，因此，必须研究新的理论来支撑轮毂电动汽车操纵稳定性研究。本课题围绕着4WIS、4WID轮毂电动汽车，以整车动力学控制为理论基础，探讨考虑执行器动态特性的分配控制方法，基于全轮主动转向与转矩分配集成控制，进行轮毂电动汽车操纵稳定性和控制策略研究。国内外研究现状和发展趋势2.1轮毂电动汽车发展和研究现状分布式驱动轮毂电动汽车在稳定性、主动安全控制和节能方面相对于传统汽车具有显著的控制优势，因此国内外针对分布式驱动电动汽车进行了大量的系统研究和实验车辆开发，为动力学系统研究提供可靠平台。最早的轮毂电机驱动电动车源于保时捷的大胆设想，其取消原有的发动机与动力传动系统，采用两个内置前轮的电机直接驱动。如今，轮毂电动汽车在电子稳定控制、系统集成等方面有了长足进步。例如，针对不同应用需求，日本庆应义塾大学分别开发了高速型和高动力型二款八轮独立驱动电动车“Ellica”[5]，如图2（a），进行了一些列的牵引控制研究；三菱汽车（MitsubishiMotor）公司利用轮毂电机力矩独立控制的特点进行动力学稳定性控制，推出了MIEV概念车[6]；东京大学Hori教授[7,8]则基于现有量产车开发了四轮驱动的概念电动车“UOTElectricMarch”；东京农工大学永井正夫教授[9]所领导的实验室为研究DYC与SBW集成控制，提出了轮毂电机驱动的NOVEL系列微型车技术解决方案；美国通用公司[10]相续开发了后驱轮毂电机驱动雪弗兰轻型概念车Hy-wire和氢燃料轮毂电动汽车Seque，如图2（b）；美国俄亥俄州立大学[11]在所开发的四轮轮毂电动汽车上，重点研究驱动和再生制动模式下的力矩分配和节能控制。除了民用领域外，通用公司开发了新一代多轮驱动“悍马”军用车，极大的改善了车辆的经济性和动力性，减小补给压力。为保持舒适性和操纵性，通过对驱动、转向、制动、悬架在车轮单元的集成，瑞士VOLVO[12]和法国米其林[13]分别推出了提出的ACM（AutonomousCornerModule）和activewheelmotor概念车轮总成。由此可见，轮毂电动汽车已被世界视为未来电动汽车领域发展的重要方向。（a）（b）（c）图2典型分布式驱动轮毂电动汽车国内针对分布式驱动电动车也开发了相应的试验平台并进行了相应的稳定性、平顺性等研究。例如，同济大学[14]相继开发了春晖一号、春晖二号和春晖三号等分布式驱动电动车；清华大学[15,16]针对城市个人短途工况设计了满足相应实用性和经济性要求的微型分布式驱动电动车“哈利”；吉林大学[17,18]为了进行线控轮毂电动车集成控制方法研究，设计了全线控轮毂电动车平台，如图2（c）；此外，上海交通大学[19]、山东大学[20]等大学及科研所也针对分布式驱动电动车研究进行了实验样车开发。综上所述，虽然目前国外不少机构针对轮毂电动汽车不同领域研究提出的一些产品级解决方案，但是实际上这种汽车的结构极其复杂，迫于安全和可靠性的原因，现阶段还远远达不到的民用化水平。相比之下，我国对于四轮驱动轮毂电动汽车研究与国外都存在着较大的技术差距，总体上还处于起步阶段。因此，要充分发挥四轮独立驱动、四轮独立转向轮毂电动车拥有的驱动结构优势，还需在稳定性与节能控制等方面进行深入的理论研究和实践探索，开展细致、深入、系统的研究，这将对轮毂电动车稳定性电控系统产生深远影响，对未来智能汽车形式都将起到推动性意义。2.2轮毂电动汽车操纵稳定性控制策略研究现状与趋势车辆稳定性主要强调对车辆侧向动力学特性的控制，即通过对轮胎侧向力的合理控制，以达到期望的车辆横摆稳定性。事实上，侧向动力学是一个异常复杂的非线性问题，执行器难以精确地控制侧向力，即目前尚无任何技术能够实现对侧向力的直接控制，这是困扰车辆稳定性研究的关键。幸而，车辆轮胎动力学的内在耦合特性，使得侧向力学特性与纵、垂向动力学之间耦合在一起。因此，车辆稳定性控制的关键问题，便是通过对轮胎垂向力、纵向力的合理分配，使车辆状态远离失稳边界，从而提升车辆稳定性裕度，同时增强车辆主动安全性。目前，采用的控制方法相应分为三类：主动转向控制（AWS）、侧倾刚度控制(RSC)和直接横摆力矩控制(DYC)。AWS作用于轮胎线性区，而在非线性区的效果并不明显。由于受到轮胎非线性饱和因素影响，其单独控制效果无法得到本质上的提升。RSC主要利用轮胎侧偏刚度与垂向力的非线性耦合关系，通过调节悬架侧倾刚度，产生期望侧倾力矩来提高操纵稳定性；该类方法严重依赖于主动或半主动悬架技术（ASS），在载荷转移明显时才具有效果[4]。总体上适用工况较窄，且依赖尚未成熟主动悬置技术，应用较少。DYC利用轮胎纵向力和侧向力间的非线性耦合关系，通过驱动或制动使各轮产生纵向力差，产生直接作用于车辆的横摆力矩。得益于DYC控制在位姿调整的上的显著效果，该类控制方法在车身稳定性系统（ESP、VSC）得到了良好的运用，主要用于在极限工况介入提升整车安全性，逐渐成为目前车辆上主流稳定性控制系统。现有的集中式驱动汽车电子控制系统一般都由不同的厂商在不同时期分别开发和提供，并往往围绕提高某一特定性能指标或实现某一特定控制目标而设计。各个子系统缺乏甚至也无法考虑与其它系统之间的协调，因而相对封闭和独立，自成一体。当多个控制子系统同时作用时，彼此缺乏协调，由于车辆的耦合特性，容易产生冲突和干扰[21]。主要表现同一控制目标往往可以通过一个或若干个不同执行机构以不同的控制系统来实现；而同一控制变量也往往可以用于不同的控制系统以实现不同的控制目标；同时，汽车在三维空间六个方向上的动力学耦合使得一个控制系统的输入将对其它系统产生干扰或制约，即使不同控制系统的控制目标不同，也有可能因为车辆动力学的耦合产生冲突。相比之下，轮毂电动汽车取消差速器、转向梯形等机构，各轮之间缺少有效的机械收束作用，致使传统汽车原有的结构属性变得模糊。传统汽车上的稳定性控制系统，例如DYC､VSC､ABS､AFS､ARS､TCS等技术，在轮毂电动汽车上存在着更为严重的执行器复用共生问题，从而不能通过简单移植实现车辆操纵稳定性控制。因此，稳定性控制系统的集成研究成为当前轮毂电动汽车稳定性控制研究的热点，并相续产生了三大类集成控制策略，依次是；基于信息共享的集成控制策略、基于仲裁协调的集成控制策略、基于子系统功能融合的集成控制策略。基于信息共享的集成控制策略早期的集成控制主要利用信息共享实现，其特征在于各大子稳定控制系统的决策器相互独立，通过总线相关联后，利用信息共享达到一定的集成效果。例如，丰田的Kizu[22]等人通过分析汽车各子系统间的耦合关系，推出概念车FXV-II(FutureexperimentalVehicle-II)，通过信息共享实现了主动空气悬架、主动后轮转向、带限滑差速的全时四驱控制与牵引力控制、防抱死制动系统、自动巡航与跟随的集成控制。同样，丰田的Sato[23-25]等人提出交互式自适应控制的概念，使用所有相关系统的状态计算特定系统的目标值，并在CELICA和SOARER上进行了应用。利用交互式自适应策略，三菱的Mitamura[26]等人实现了对制动和转向集成。Taheri[27]等在设定ABS最优滑移率时考虑了车轮转角的影响，以改善强制动大转角时车辆稳定性。基于仲裁协调的集成控制策略利用仲裁策略与算法对子系统进行协调的集成策略，多通过设置额外的协调控制器实现。例如，Guvenc[28]等对主动转向和差动制动的协调控制做了初步研究，二者共同作用时，通过给定的分配系数将附加横摆力矩分配至两个系统。Delphi的Bedner[29]等通过设置Supervisory控制单元对4WS与VSE进行了协调控制，其策略为优先使用主动转向干预，当主动转向能力不足时使用主动制动进行干预。Ford的Burgio[30]等利用系统反馈线性化方法对AFS和ESP进行协调控制，当AFS达到饱和后，剩下的稳定横摆力矩由主动制动来实现。同济大学姜炜[31]等根据侧向加速度划分AFS和DYC的作用域，随着侧向加速度的增大，依次采用AFS单独作用、AFS与DYC共同作用、DYC单独作用。余卓平[32]等设定多个行驶工况并通过分析规定各工况下使用的执行器对AFS与ESP进行了集成，当AFS与ESP共同作用时，通过依据工况确定的权重系数计算各自应承担的控制量。Hwang[33]采用侧偏角相平面图判断当前车辆状态，当车辆处于稳定范围内时使用AFS，当车辆即将失稳时同时使用AFS与ESP。Sunderland大学的Rengaraj[34]等研究了AFS、ASS、ESC和可变驱动分配系统(VTD)的集成控制系统，研究分析了子系统各自的工作区域，通过基于模糊规则的协调控制器协调各子系统。基于子系统功能融合的集成控制策略将子系统的车辆状态功能集成到独立的集成控制器协调集成方法，只保留执行器的执行分配控制功能，子稳定系统的决策功能集中到了集成控制中。通用公司的Fruechte[35]等人就提出了基于功能集成的汽车转向、制动、动力传动和悬架的集成控制概念。Boada[36]等不依赖车辆模型，通过建立质心侧偏角、横摆角速度与附加稳定横摆力矩、主动前轮转角间的模糊规则计算期望的控制输入。类似的，杨福广[20,37]等针对低附着高速工况下的操纵稳定性，设计采用模糊控制集成器实现了AFS与DYC、ARS与DYC的集成控制。上海交通大学喻凡[38]等人基于时变线性二自由度车辆模型设计了MPC控制器。吉林大学杨建[39]森通过建立七自由度车辆模型，以车辆前轮转角与四个车轮转矩为控制变量，直接应用模型预测控制建立汽车集成控制算法。武建勇[40]等设计了车身侧偏角滑模观测器，基于鲁棒模型匹配控制对AFS与DYC进行集成。由于信息共享式集成保留了各子系统的完整结构，集成程度较低，总体上对提高汽车稳定性作用有限，基本被边缘化。相比之下，基于仲裁控制策略，采用自底向上（Bottom-up）、针对特定硬件配置的设计思路，但集成控制带来的性能提升仍然有限。这种弊端主要表现在利用规则和逻辑判断以决定执行器的选择和控制量的分配方式，难以适应汽车行驶复杂的动态过程，牺牲了执行器的独立性。鉴于以上原因，目前第三种集成控制策略成为研究热点。由于采用自顶向下（Top-down）的开发思想，算法集成度高，并在设计初始便充分考虑了整车的动为学特性，所以理论上可以达到全局最优的动力学响应，这种控制架构是未来汽车底盘控制系统的发展趋势。这种设计模式的复杂度非常高，在加大中央控制器计算负担的同时，也牺牲了算法的鲁棒性和可扩展性。为了简化集中式控制的实现难度，行业普遍的做法是采用自上而下的设计模式将集成控制器进行功能上的划分，通过分层式架构实现与集中式控制方法等同的整体控制效果。因此本课题拟对轮毂电动汽车采用基于DYC的分层式集成控制结构，通过上层运动跟踪，下层控制分配的总体控制策略，实现整车操纵稳定性控制。2.3主动转向与横摆力矩集成研究现状4WID、4WIS轮毂电动车机械收束作用消失导致的结构属性模糊，主要体现在轮毂电动汽车可通过差动的方式驱动，即同一轴上实行扭矩不等分配，产生的差动助力转向效应和附加横摆力矩，对车辆的稳定性和转向特性都有较大影响。此时，轮毂电机拖动的车轮不仅是驱动系统的执行器，更是转向系统的重要组成部分。此外，轮毂电动汽车的非线性耦合作用导致基本不可能通过对二者单独控制实现对理想状态的追踪。当然，传统的DYC未直接利用轮胎侧偏力学特性，横摆力矩控制不符合转向运动的基本机理，因此对于车辆侧向运动控制并非总是理想，表现在车辆纵向速度的波动，会削弱驾驶员的操纵信心和驾乘舒适性。于是，为兼顾平顺性，出现了将各种系统进行集成的车辆动力学横摆稳定性控制，其中主要是主动转向与直接横摆力矩的集成[21]。轮毂电动汽车通过差动驱动的方式实现DYC控制，不产生纵向速度损失，介入较传统差动制动更为温和；同时，AWS可以缩短横向加速度及偏转运动的响应时间,减小车体的侧偏角，从而提供良好的操纵性，在驾驶舒适性方面具有优势；因此针对轮毂电动汽车的稳定性控制研究集中在AWS和DYC集成融合，即主动转向与转矩协调控制。对此，日本东京农工大学MasaoNagai[41]研究了主动前轮转向（AFS）和DYC集成控制、主动后轮（ARS）和DYC集成控制。论文采用模型跟踪控制方法，通过对横摆角速度、质心侧偏角期望值的跟踪，计算出所需的主动转向角和横摆控制力矩，利用前馈和反馈补偿器进行补偿。德国大陆公司[42]ESCⅡ是在底盘稳定性控制系统ESC的基础上集成AFS控制，AFS可以补偿一部分由于差动制动造成的横摆力矩，控制系统自动修正方向盘转角，减轻了驾驶员负担并保证了稳定性。美国俄亥俄州立大学JunminWang[43]研究了四轮独立驱/制动、四轮独立转向车辆的集成控制算法。该控制算法通过上层非线性滑模控制器计算出车辆理想运动所需的总纵向力、总侧向力和总横摆力矩以实现，在下层分配层通过对四轮转角和四轮驱制动力矩分配满足所需的总的力和总的横摆力矩的需要。英国利兹大学Crolla[44]运用滑模控制理论设计集成控制器对车辆AFS和动力学稳定性控制（DSC）进行集成控制，减小两子系统之间的功能冲突、提高汽车底盘集成控制性能。国内上海交通大学喻凡教授[45]课题组，提出了广义执行器-受控对象的车辆底盘集成控制体系，对车辆底盘集成控制展开了深入研究，采用滑模控制方法、鲁棒控制方法进行了车辆纵向滑移率（TCS）集成控制研究。山东大学的杨秀建[46]等人采用线性二自由度模型设计了主动前轮转向和主动制动最优保性能集成控制算法，提高考虑侧偏刚度不确定性下的极限工况下汽车稳定。山东大学杨福广[20]分别采用模糊最优控制方法和模糊控制方法设计了AWS和DYC集成控制算法，并进行了样机的试验。清华大学刘力[47]等采用广义预测理论设计了AFS和DYC集成控制算法，研究了不同模式间的平滑切换和随车辆状态反馈变化的控制权重调节问题。吉林大学朱冰[48]等人设计了主动转向与主动制动集成控制的多变量频域控制方法；吉林大学宗长富教授[49]基于模型预测控制理论对AWS和主动制动进行了集成控制研究。综上所述，针对主动转向和横摆力矩集成控制，国内外都已经进行深入探索，并取得了一定研究成果，可为本课题提供重要借鉴。但是，此类研究成果多是基于单独AFS或者ARS与DYC的集成，少有对4WS与横摆力矩的集成控制研究，在全轮主动转向与横摆力矩控制集成研究存在较大空白。四轮主动转向对车身姿态微调上存在较大的优势，单纯的前轴或者后轴与转矩的集成控制，显然造成了一定的执行资源的浪费，未能充分发掘轮毂电动车在稳定性控制上的潜力。因此，本课题将在车辆动力控制基础上，开展全轮转向与全轮驱动协调集成控制研究。2.4轮毂电动汽车分配控制研究现状转矩协调分配作为DYC的下层控制部分，作用是：按照一定的分配方法，将车辆运动控制所需的控制力，分配到各执行器中，执行器包括制动器和轮毂电机，由多个独立可控的电动轮各自输出转矩，共同产生车辆运动控制所需的控制力。目前，转矩分配主要包括基于规则的分配方法，以及基于优化函数的控制分配方法。基于规则的分配方法该方法的重点在于制定分配规则。Jackson[50]针对6x6轮毂电机驱动车辆，采用模糊控制进行转矩分配，根据横摆角速度偏差及其变化率，制定了49条模糊规则，输出左右两侧电机转矩指令，其中同侧转矩存在比例分配关系。Osborn[51]采用两个并联PI控制器进行转矩分配，一个PI控制器根据横摆角速度偏差确定前后轮转矩分配系数，另一个PI控制器根据侧向加速度偏差确定左右轮转矩分配系数。吉林大学王庆年[52-54]课题组按照大小相等、方向相反的规则，在PID控制的作用下分配左右电动轮转矩，得到转矩差，实现转向助力。吉林大学陈禹行[55]设计了一种纵向力分配规则，该规则根据不同电动轮对横摆力矩贡献度的不同，选择贡献度最大的电动轮优先输出转矩，当该轮达到约束边界后，再根据电动轮的贡献度从大到小依次介入。褚文博[56]设计了分别针对车辆动力性和稳定性的转矩分配策略，制定了单轮打滑情况和同侧双轮打滑情况下的转矩分配规则，该方法计算速度快，但是需要在动力性和稳定性之间作出一定的取舍。基于优化函数的控制分配方法该方法的主要内容是目标函数确定，以及约束条件的目标函数求解。okhiamar[57]首次提出轮胎负荷率的概念，以所有轮胎负荷率之和最小为目标函数，通过求目标函数的极值获得最优解。在上述基础上，Mokhiamar[58]还对目标函数中的轮胎负荷率进行加权，利用权重系数调整轮胎力的优先级。Novellis[59,60]提出4种针对不同性能的目标函数，分别针对驱动系统能量效率最优、电动轮滑移率与平均滑移率偏差最小、电动轮驱动功率最小、轮胎平均负荷率最小，并以上层控制量为等式约束条件，以电机输出能力、电池功率限制、轮胎力摩擦圆为不等式约束条件，采用内点法分别计算上述目标函数的最优解。韩国学者Kim[61-65]等人针对4X4、6X6和8X8毂电机驱动车辆进行了一系列研究，在文献[61]中根据横摆角速度偏差建立目标函数，通过Bryson法则计算目标函数中的权重矩阵，然后采用广义逆法求解该目标函数；文献[62]考虑轮胎纵向力的负荷率作为目标函数，通过求目标函数的极值获得最优纵向力分配；文献[64]根据横摆角速度与参考状态之间的关系，将车辆行驶状态分成4种，并根据这4种状态调整目标函数中的权重系数。随着数学规划算法的应用普及，采用数学规划算法来求解转矩分配问题是当前研究的热点。Kang[66]等人以电动轮负荷率最小，构建二次目标函数，将约束条件通过加权系数合并到目标函数中，考虑到了轮胎负荷率、电池SOC、防滑条件等因素，将二次规划问题变成加权最小二乘问题。Plumlee[67]等针对一般的二次规划算法对外部干扰和参数变化的鲁棒性不足，采用修正的符号保持二次规划算法求解带等式和不等式约束的二次优化问题。熊璐[68]对求解约束二次优化问题的三种常用方法分别进行了比较，这三种方法包括再分配伪逆算法、层叠广义逆算法和加权最小二乘法，并指出加权最小二乘法的求解速度最快，且精度满足控制要求的特点。以上分配策略中，基于规则的转矩分配策略共同特点是电动轮转矩之间存在比例关系，降低了计算量和分配难度，计算量小，求解速度快，这在实时性上具有较大的优势，且对控制系统精度要求不高。但是，我们也必须注意到，规则分配不能很好地处理执行器约束条件，其中的某些电动轮容易提前达到约束边界，而其他电动轮未充分发挥作用，以至于降低了总体控制效果，是以牺牲电动轮驱动独立可控自由度为代价的。基于优化函数的转矩分配，由于考虑了车辆状态信息、路面附着等条件，因此能对外界运行变化工况做出适应性响应；同时，车轮之间转矩没有约束关系，可以充分发挥在快速调整车辆位姿时转矩独立的技术优势。因此，采用优化函数的转矩分配方式成为目前研究主流。但是，我们又必须注意到由于系统的高冗余性，设置目标方程的优化控制是一个欠约束的MIMO问题，因此须将其转化基于约束的最优SISO问题。然而，目前不少研究对于约束的考虑还过于简单不够全面，往往只限于轮胎与地面的附着约束。虽然一些研究也考虑了执行器约束，但这种将约束简化为轮胎力上下限的方式，较少地考虑轮胎力纵横耦合特性，因此在优化过程中存在约束缺失或定义不准确导致执行资源浪费，在一些复杂工况下难以满足实际的约束条件情况。此外，基于执行器稳态特性的分配策略，往往只考虑执行器幅值特性，这种将执行器动态特性简化成静态约束的做法虽可降低控制系统的复杂程度，但却不具有实际应用价值。因为忽略执行器的瞬态特性和彼此的瞬态响应差异，其结果是导致控制系统的动态分配误差，严重影响控制性能和效率。本课题将在充分考虑执行器动态特性和动态约束基础上，以四轮驱动电动汽车对驾驶员输入响应为目标，建立考虑执行器动态属性是动力学模型，在研究执行器动态特性对车辆稳定性影响的基础上，充分考虑系统多约束条件，探讨基于执行器动态特性分配方法，推动轮毂电动车集成控制实用化。拟解决的关键科学问题和主要研究内容3.1关键科学问题由以上分析可知，目前针对4WID､4WIS轮毂电动汽车操纵稳定控制研究在以下几个方面还有待深入探讨：全轮主动转向与横摆力矩控制集成研究；基于执行器动态特性的多约束优化分配控制研究；基于四轮独立转向驱动的驱动轮毂电动汽车的稳定性控制研究，涉及子控制系统集成、整车稳定性控制、控制分配等诸多方面，因此忽略几者之间联系和内在作用的传统的单点式的孤立研究，往往难以取得理想的控制结果。针对这种分散式研究，本课题的特色在于充分考虑其工程背景，强调几者之间的内在联系，对其进行系统全面的研究，在DYC分层式集成控制框架上，基于全轮主动转向与转矩分配集成实现线控轮毂电动车操纵稳定性研究，以期使轮毂电动汽车辆达到稳定性、舒适性、主动安全性。为此，课题要需要开展以下方面研究：全轮主动转向和横摆力矩集成控制研究。由于子稳定控制系统数量增加导致的潜在执行器冲突，使得通过应用任何单一控制系统达到车辆稳定性控制的期望变得渺茫，集成控制成为解决执行复用共生的有效途径。在轮毂电动汽车上，传统的机械约束作用消失导致了差动转向效应，因此，主动转向和转矩分配集成控制成为解决转向系和驱动系之间的结构属性模糊问题的关键。相比之下，轮毂电动汽车各轮转矩独立可控、易于观测，有着集成控制所需的天然硬件优势，不仅可以解决差动转向效应给转向控制带来的干扰，也可利用主动转向对轮胎侧向力的分配控制，增强整车运行的安全稳定性储备裕度，提升整车极限工况下操纵稳定性和主动安全性；同时，二者的集成控制可有效减轻DYC带来的车速顿挫感，可有效改善驾乘舒适性，并增强车辆对驾驶员期望的跟随能力。因此，进行主动与横摆力矩控制集成研究是实现轮毂电动车稳定性控制的不二选择。此外，相比ARS或者AFS与横摆力矩的集成，全轮驱动与全轮转向的协调控制更能发挥4WIS、4WID轮毂电动汽车的结构优势，能更好的的提升整车稳定裕度，避免执行器资源浪费。鉴于4WIS相较ARS、AFS在集成控制中引入了额外的自由度，同时4WID又增加了驱动控制的负担，考虑到车辆动力学的耦合作用，协调诸多自由度的控制算法将是复杂的；此外，车辆运动控制中的不确定性和非线性的问题，也将导致对状态变量的联合控制困难。因此，全轮转向驱动的集成控制算法是课题研究的核心要点。基于执行器动态特性的多约束优化分配控制研究。作为典型的过驱系统，轮毂电动车可以调用不同的执行器完成对同一目标跟踪控制，这必定使轮毂电动车成为MIMO系统，这将造成系统控制的紊乱。基于约束优化的优化控制分配，利用控制分配主目标构成等式约束，以及轮胎力附着和执行器特性决定的非线性不等式约束，在一定的分配原则下，将目标控制力合理地分配到轮胎纵向力，并最终通过执行器的输出转矩来实现转矩优化分配。该方法能够依据车辆状态、行驶环境自适应的调节分配方式，满足给定的分配目标，有利于汽车性能的提升。当然，目标控制力基于轮胎力的实现是一个不定系统问题，是分配控制设计的难点。因此，通过设置合理的边界约束和优化求解目标，将MIMO控制问题转化成基于约束的SISO极值最优问题成为控制分配策略的核心问题。当然，只考虑轮胎与地面附着限制及将执行器工作范围简化为轮胎力上下限的方式，约束过于简单，对轮胎力纵横耦合特性考虑不足，因此在优化过程中存在约束缺失或定义不准确导致执行资源浪费。执行器的动态特性是设计过驱动系统考虑的关键考虑因素，针对上述转矩优化分配的不足，本课题将在考虑执行器动态属性的基础上，通过理想的转矩优化目标，进行多约束优化转矩分配控制探讨。3.2课题的研究内容四轮独立转向驱动轮毂电动汽车由于采用分布式驱动结构，其牵引控制方式与传统的车辆具有根本性的不同，执行器自由度高度冗余，耦合作用更加复杂。因此，针对轮毂电动汽车的稳定性研究主要包含以下几个方面：3.2.1基于横摆力矩的分层集成控制策略研究车辆操纵稳定性控制的核心思想，就是通过对轮胎六分的合理分配，通过理想状态与反馈状态的偏差实现，利用驾驶员作为调整环节构成闭环，来实现对驾驶员期望的状态的跟踪。鉴于，主动转向技术与侧偏刚度控制在应用上的局限性，基于DYC的整车控制策略成为主流。同时，随着电气化程度的加深，车载稳定性子控制系统的数目也逐渐增多，为了解决各子控制系统执行器及控制目标潜在的冲突与干扰，集成协调控制成为解决此类复用共生问题的有利手段。目前，应用于车辆稳定性控制上的集成策略有分散式和集中式二种结构，迫于分散式结构从下至上的设计思想，其很难达到整体性能的兼顾。将子稳定性系统进行从上至下的集成结构，虽然能够实现对整体性能兼顾，但却苦于影响因素过多、算法过于复杂、控制器设计困难。在4WIS、4WID轮毂电动汽车上，由于分布式驱动结构，导致以上二种稳定性策略同时出现。因此，如何通过合理的框架设计，在传统的横摆力矩控制基础上，来实现轮毂电动汽车操控稳定性的集成控制是整车控制策略首要解决的逻辑问题。设计简洁有效的控制整体框架可有效降低集成控制设计难度，通过功能的分层划分可令控制结构清晰，使运动跟踪和控制分配控制器设计免受耦合作用影响。本课题拟将经典DYC上层决策控制分解为运动跟踪、控制分配，采用分层式集成控制策略。3.2.2全轮主动转向与横摆力矩控制集成研究作为整车运动控制的上层部分，全轮主动转向与横摆力矩控制集成研究的作用就是；根据车辆运动状态以及驾驶员操纵，产生理想的跟踪状态以及追踪该理想状态所需的广义力，以保证轮毂电动汽车整车操纵稳定性。由于差动转向效应的存在，传统车辆上执行器的结构属性结构变得模糊，难以通过对其中一项的控制实现良好的运动跟踪效果。事实上，单纯利用横摆力矩实现的稳定控制，由于不符合转向基本原理，控制效果并非总是理想。主动转向符合阿克曼转向定理，可有效减少侧偏，提升车辆响应速度，与DYC控制形成互补。二者协调集成控制不仅可以解决差动转向带来的困扰，还可以提升车辆的稳定性裕度，给横摆力矩控制带来良好的平顺性，因此如何实现二者的协调融合，成为课题需要解决的关键问题。主要含驾驶员行为意图解析、参考状态变量的选取以及运动控制算法的实现三大内容。参考状态变量的选取。整车运行时车辆有诸多状态变量，选择合适的参考状态变量是集成控制首要解决的问题。状态变量是驾驶员意图解析和控制算法实现的基础，驾驶员意图和控制算法实现最终都体现在参考状态变量或者对其控制上。由于车辆本身呈现出较强的非线性特点，其在稳态和非稳态时候，状态变量代表的含义不同，且各状态变量有着较为明显的作用区域性。例如，有些状态变量只在线性作用域有效，在非线性域作用效果较差；在非线性域有效的状态变量在线性作用域效果不佳。此外，从单一状态变量的跟踪到多状态变量联合控制是不同的，这些状态变量本身就存在较强的耦合作用，在极限工况下还存在相互冲突的可能，实现多状态变量的联合控制增加了解耦的工作量。因此，车辆参考状态变量的选择是集成控制的一个难点。驾驶员行为意图解析。该模块的作用就是结合车辆当前状态，将驾驶员操作转化为对应的参考状态变量。由于路况和紧急事件等诸多因素，驾驶员操作具有不可知性，而车辆状态又具有一定的随机性。在车辆自身条件不允许的情况下，盲目的跟踪驾驶员行为容易导致一定的危险性，使车辆在决策层就是发生了稳定性隐患。同时，不同的参考状态变量无法同时追踪时，如何协调彼此的冲突的也成为驾驶员意图解析模块必须面临的问题。简而言之，驾驶员意图解析就是在保证上层决策稳定性基础上，建立起驾驶员操作与参考状态变量之间的映射关系，并对驾驶员的危险操作进行过滤转化。因此，驾驶员行为意图解析成为确保上层决策稳定的关键，也是下层执行的前提。运动控制算法实现。该内容用于将参考状态偏差转化为对应的广义力的过程，该广义力包括附加横摆力矩、纵向牵引力、侧向控制力。车体在纵向、侧向及横摆方向上的平面运动直接关系到汽车的操纵稳定性，但是由达朗贝尔原理可知，三个方向上的运动彼此互相耦合，不能够通过解耦实现对三个状态的单独控制，并且纵向运动还需考虑空气阻力的作用，因此存在较强的非线性特征，增加了算法设计的困难。因此，通过非线性控制算法，根据参考状态变量偏差实现广义力的准确生成，成为整车稳定性闭环控制上层决策的核心。3.2.3考虑执行器动态特性的多约束优化分配控制研究执行器协调分配控制作为整车稳定性闭环的下层控制部分，其作用是：按照一定的分配规则，将车辆运动控制所需的广义力，分配到各执行器中，输出实际控制力作用于车辆。由于轮毂电动汽车的过驱结构，这种分配是一个欠约束问题，因此必须在充分考虑执行器的约束条件的基础上，通过优化目标函数实现最优分配。因此，分配控制研究主要包含二个方面内容：系统约束设定、目标优化函数生成以及目标函数求解。系统约束设定：为维护执行器（轮毂电机、转向电机、电磁制动器）稳定性，即分配的控制量能够在其自身和外界条件限制下得到响应，就必须将其执行器约束纳入考虑范围。这些约束条件主要包括电机输出极限、电磁制动力矩范围、轮胎力附着圆、地面附着条件、车轮防滑条件等。目前对执行器约束的研究，对于执行器约束考虑简单不够全面，往往只限于轮胎与地面的附着约束，即将执行器工作能力转化为对应的轮胎力幅值约束。事实上，轮胎的纵横向的复杂耦合关系，会最终导致在优化优化缺失或执行资源浪费。此外，在过驱系统中，执行器的动态特性是分配控制问题的关键。上述基于执行器稳态特性的分配策略，因忽略执行器的瞬态特性和彼此的瞬态响应差异，易导致控制系统响应延迟带来的动态分配误差，影响控制性能和效率，不具有实际应用价值。在本课题研究中如何进行约束设定成为难点，尤其是考虑执行器动态特性的约束设定。目标优化函数生成：优化目标函数很大程度上决定了最终的分配控制效果，目标函数过于松散易导致多解或者控制效果不佳问题，优化目标过于苛刻又会导致无解问题。此外，在不同的工况下，车辆的控制需求并不总是相同，控制目标需要依据车辆状态、行驶环境自适应的调节。作为典型的过驱系统，四轮独立驱动轮毂电动车可以调用不同的执行器完成对同一目标跟踪控制，意味着可以实现兼顾多目标的控制策略，即通过对其他目标的追踪构成的广义约束边界，在车辆稳定性基础上，达成对其他目标优化跟随，提升汽车整体性能。例如，取得较好平顺性和经济运行能力，或者较好车身姿态控制。因此本课题在研究上述目标的同时，将探讨稳定性控制的节能控制策略对推动车辆实用化具有重要意义。因此，目标优化函数生成是本课题研究的一个难点。目标函数求解：优化求解主要是在满足约束条件下实现对控制的分配，算法的选取主要表现在约束的处理上。目前主流的分为不考虑不等式约束求解法、考虑不等式约束求解法，其算法的求解适用范围都是区域性的，因此目标函数求解也是研究重要内容。3.2.4轮毂电动汽车稳定性控制试验验证在研究过程中，首先通过理论抽象建模，将全部的数学模型通过Matlab/Simulink，CarSim等软件利用单独和联合仿真的形式进行修正调试验证；其次将软件验证后的模型，在实验室现有的轮毂电机硬件在环仿真试验台进行实际电机的控制测试；最后将整个基于主动转向与转矩协调集成的稳定控制算法在全线控轮毂电动车平台上进行联合调试验证。这不仅可以证明本课题理论的准确性，也能推动轮毂电动汽车的实际应用。因此，在轮毂电动车整车稳定性闭环控制系统中研究内容主要包括以下几个方面：轮毂电动汽车整车动力学模型建模。通过一些商业动力学仿真软件可以得到整车动力学模型，这类整车模型数据很大程度上受到的经验值的调整，其内部程序对用户并不透明，无法从机理上研究轮毂电动车动力学响应，且此类模型主要是针对传统的集中式驱动车辆，与分布式驱动车辆驱动结构存在较大差异。同时，由于车辆与外界一切联系主要由轮胎与路面的相互作用产生，这导致了轮胎特性对车辆运动及转矩分配有着决定性的影响，而建立真实的非经验轮胎模型又是困难的。恰巧的是为了从机理上实现对轮毂电动车的精准控制与研究，必须建立针对其结构特点的动力学数学模型。考虑到整车各自由度间的相互作用较为复杂，建立精准的反映出车辆运行中车身的位姿参数变化，以及各自由度之间耦合影响的多自由度动力学模型将是研究的一大难点。考虑执行器动态特性的动力学模型建模。对于4WID、4WIS分布式驱动轮毂电动汽车而言，其控制系统的执行器主要包括驱动、制动和转向等电控系统，其自身的动态响应特性各异，对轮胎力的产生机理及动态响应过程各不相同，且彼此高度耦合与制约。例如，电机内部由于多场耦合、谐波，负载波动等因素产生的转矩脉动，必定对车辆的正常行驶与转弯的稳定性控制产生消极影响；转向电机的响应延迟，也必然导致动态分配误差。因此，建立充分考虑执行器动态特性的真实执行器模型，是分析执行器动态特性对稳定性控制影响的前提基础，是探讨特性补偿轮胎力分配控制策略的先决条件，对课题的研究具有重要的基础性作用。整车动力学模型及执行器模型验证。由于轮毂电动汽车动力学模型各自由度之间存在耦合约束，导致彼此之间作用关系较为复杂；目前，能够查阅到的相关整车模型都是基于传统集中式驱动车辆的，因此十四自由度轮毂电动汽车动力学模型验证必须借助其他手段实现，因此模型的验证是一个需要重视的内容。此外，考虑动态特性真实的执行器模型是探讨考虑执行器动态特性分配的基础，因此也是研究的重要内容。总体研究方案4.1总体学术思路本项目以轮毂电机驱动的分布式四轮电动汽车为研究对象，进行车辆动力学稳定性控制和控制策略研究；针对4WIS､4WID轮毂电动汽车转矩转角独立可控的且响应迅速的结构特点，研究基于全轮主动转向和转矩分配集成的车辆动力学控制，充分挖掘汽车在操纵稳定性的潜力，以期提升车辆极限工况下的稳定性，达到车辆安全、平稳运行目的。主要的研究主要涉及经典控制理论、车辆稳定性控制和汽车系统动力学等学科内容。课题的实现方案采用理论研究分析、计算机仿真建模、及硬件仿真试验台和实车安装测试相结合的研究方式，以确保研究内容与目标顺利完成。本课题拟在总体框架上，针对执行器结构冗余的带来的控制冲突问题，结合线控驱动、线控转向响应敏捷的特点，充分考虑执行器动态特性特性和车辆非线性耦合作用影响，采用基于ＤＹＣ的经典双层控制结构，即上层决策、下层执行结构，实现轮毂电动汽车稳定性控制。首先，针对系统过驱问题采用集成控制思想，考虑到ＤＹＣ上层控制器设计困难，将上层控制器细分为运动跟踪控制层、分配控制层，采用分层式集成控制框架以降低集成控制器设计难度，建立基于DYC的分层集成控制策略框架；其次，针对轮毂电动汽车动力学控制中存在的差动转向效应，基于滑膜变结构控制理论构造全轮主动转向与直接横摆力矩集成运动状态跟踪，消除执行器复用共生问题；再次，在充分考虑执行器动态特性和动态约束基础上，以四轮驱动电动汽车对驾驶员输入响应为目标，建立基于模型预测控制理论的分配策略，通过复杂多约束边界将MIMO问题转化为极值优化问题，实现最佳控制分配，以期实现车辆安全稳定运行。最后，本课题将研究应用于4WID、4WIS轮毂电动汽车控制系统中，利用实车平台测试完成控制系统的试验验证。图３线控全轮转向驱动的轮毂电动汽车操纵稳定性控制研究总体实施方案4.2技术途径本课题将采用理论研究分析、计算机仿真建模、及硬件仿真试验台和实车安装测试相结合的研究方式，以确保项研究内容与目标顺利完成。总体上主要分为四大部分：整车稳定性控制框架设计、基于滑膜变结构控制算法的集成控制层设计、基于模型预测控制的多约束分配控制算法和优化控制目标设计、整车稳定性闭环控制算法验证。4.2.1整车操纵稳定性控制框架设计目前，所有的车身稳定控制技术的核心是直接横摆力矩控制DYC，利用闭环反馈技术实现对整车稳定性状态参数的跟踪控制，并通过影响轮胎纵向力的方式实现对期望横摆力矩的控制。考虑到DYC经典双层控制结构，对上层控制器设计难度较高。本项目，拟采用基于DYC的分层式集成控制结构，运动控制层用于解析驾驶员意图，并产生追踪驾驶行为所需的附加横摆力矩、横向力向力、牵引力需求；控制分配层参考当前状态生成控制优化目标，并在多约束条件下决策出相应车轮转矩、轮胎转角、执行器顺序等信息，完成系统控制分配；执行器执行层接收分配层指令完成相应执行器控制；状态观测层则只要用于反馈车辆当前状态参数，为其他模块提供信息支持。最终相应执行器（转向电机、轮毂电机、电磁制动器）的接收执行层控制指令；最终由执行器协调实整车稳定运行。其中运动控制层利用车辆参考模型，根据状态观测层反馈的车辆状态参数，对驾驶员行为进行解析，并实时解算出车辆理想状态下的行驶参数（如横摆角速度、质心侧偏角及纵向速度等）；然后与车辆状态观测器计算得到的真实汽车状态信息进行比较求得偏差，然后通过运动控制算法解算出车辆跟踪理想需求所需的广义力；其后，由控制分配层对广义力及车辆转角进行响应分配。此外，在上述决策控制中，如果实际横摆角速度和质心侧偏角的数值与期望值偏差超出车辆稳定性阈值，或者制动力矩超出轮毂电机工作范围，则相应启动主动制动进行稳定性干预。图４轮毂电动汽车操纵稳定性分层式集成控制总体框架4.2.2全轮主动转向与转矩协调集成控制研究质心侧偏角与横摆角速度是车辆稳定性最重要的状态参数，考虑到二者都有着自己的车辆状态表征作用域，以及车辆稳定性控制具有较强的非线性特征，本课题拟通过加入车辆侧向控制实现二者的解耦，利用对纵向速度、横摆角度速度、执行侧偏角的联合控制实现车辆状态的跟踪；其次，通过期望驾驶轨迹曲率与当前车速划分状态允许域，并利用综合允许域实现运动跟踪控制的决策稳定性；最后基于滑膜变结构控制算法分别构建各期望力生成器，再利用各大状态偏差实现运动跟踪所需广义力的求解；实现主动前轮转向和主动后轮转向与ＤＹＣ的集成运动跟踪控制。车辆稳定性控制主要包括两个问题：一是车辆的稳定性问题，二是行驶轨迹的保持问题。其中，稳定性问题主要表现在车辆是否会发生侧滑失稳或侧翻失稳，行驶轨迹的保持问题主要表现在车辆是否会偏离驾驶员的期望轨迹。相比之下，质心侧偏角和横摆角速度能较在大多数工况下代表车辆偏离轨迹和侧向失稳的程度，但由于轮胎侧偏特性呈现了强烈的非线性特点和区域性特性，因此二大参数对车辆稳定性的影响也是区域性的和非线性的。此外，由于二者存在强烈的耦合关系，使得必须对二者进行联合控制才能取得较好的效果。考虑到对纵向运动的跟踪，因此选取横摆角速度、质心侧偏角、纵向车速作为车辆状态参考量，进行联合控制。考虑到车辆运行工况的不可知性和驾驶员操作的不确定性，因此必须在运动跟踪层对驾驶员的危险操作进行过滤，并确保在稳定性基础实现对驾驶员需求的最大程度响应。利用车辆状态参考模型可以将驾驶员操作初步转化为对应的需求状态量，但是这种初步需求对车辆稳定性控制而言具有盲目性，因此拟通过侧向稳定性控制模块对该需求进行监控。车辆的侧向稳定性控制主要内容就是防止车辆侧滑失稳和侧翻失稳，故而课题拟采用驾驶员期望轨迹曲率和当前车速相结合，在考虑路面附着条件基础上，进行状态参数允许域分析研究；其次，结合方向盘极限转角约束，实现状态参数综合允许域的实时动态调整；最后在侧向稳定性控制策略下，实现对驾驶行为的过滤，确保运动跟踪决策的稳定性。在状态变量中，质心侧偏角主要由侧向力决定，但是其也受到横摆角速度的影响；横摆角速度由横摆力矩决定，但是其表征车辆稳定性的程度和范围受到质心侧偏角的制约，只有在质心侧偏角较小时方才有效，但是质心侧偏角却是与车辆状态相关的时变量,尤其受到路面附着条件的影响较大。因此，企图通过对其一状态参数的跟踪实现车辆全工况控制往往不现实。考虑到横摆力矩由轮胎纵向力和侧向力共同决定，因此可以通过引入侧向力控制实现状态参数的解耦。因此，拟利用滑膜变结构算法设计侧偏力—质心侧偏角、横摆力矩--横摆角速度控制器、纵向力--纵向车速控制器，通过对理想状态偏差的跟踪，实时解算系统所需附加横摆力矩、附加侧向力、附加纵向力。图7全轮主动转向与转矩协调集成运动控制层结构图4.2.3基于执行器动态特性的多约束优化分配控制研究针对轮毂电动车执行器冗余问题，首先将统控制分配问题归纳为多约束条件下的优化问题；然后，针对该约束优化问题，探讨控制分配方法的适用性，确定合适的求解算法；之后，综合约束条件，参考车辆运行状态生成优化目标函数，基于最优控制分配方法，实现执行器冗余系统的最优分配。从上诉分配控制流程可以看出，约束设定、目标生成、算法求解是控制分配的核心内容。由于从集成控制器输出的目标值，到执行器动作产生轮胎力之间有多个环节，主要包括驱动、制动和转向等电控系统。这些环节自身的动态响应特性各异，对轮胎力的产生机理及动态响应过程各不相同，因此首要的是对上述具有动态特性的环节进行动态特性建模。本课题拟通过建立驱动系统、制动系统和转向系统等在内的各执行器动力学模型，系统地分析并研究它们的动态特性对分配控制研究的影响，构建考虑频域特性的执行器动态约束，将执行器动态响应特性纳入到分配约束中，以避免动态分配误差和分配失效。除此外，也必须将轮胎滑移率、执行器工作能力约束、轮胎与地面作用时的实时摩擦圆等制约考虑进来，利用上述多重约束共同构成边界条件，将约束优化问题转化为极值问题，得到车轮最优的纵向力和车轮最优的侧向力。方案拟用权重系数动态调整的手段实现轮胎力分配优化目标的自适应。具体流程：利用观测层的反馈信息，对车辆失稳边界进行动态计算，生成横摆角速度和质心侧偏角的极限稳定值，并将其与车辆当前的状态参数进行比较，其后在权重系数动态调整模块下，实现轮胎稳定性裕度优化目标生成。由于模型预测控制善于处理多变量系统，对约束的处理直接简单，还可以通过对目标中权重的设置实现性能要求，非常适用于多约束控制分配问题。因此，采用MPC对系统进行多约束优化求解。通过MPC求解模块可以得到各车轮的期望侧向力和纵向力，其中纵向力在驱/制动扭矩计算模块作用下，实时求解出车辆各车轮的期望扭矩，实现四轮独立驱动转矩分配控制；侧向力则在轮胎逆模型和转角计算模块作用下转化为车轮对应的期望转角，实现四轮主动转向控制。图8全轮主动转向与转矩协调集成分配控制层结构图4.2.4轮毂电动汽车稳定性控制试验验证为了验证所研究的控制算法，需要建立一个能够基本反映四轮独立驱动轮毂电机电动汽车动态特性的动力学模型。由于车辆包括轮胎、悬架、橡胶等部件构成的刚柔混合多体动力学系统，具有复杂的非线性和强烈的耦合性，通过模型完全地描述其动力学特性是极为困难的，同时也是不必要的。针对四轮独立驱动四轮转向的特点，保证模型反映研究所需要的主要动力学特性的基础上，采用理论分析简化，通过牛顿矢量法和虚功原理联合，在广义笛卡尔坐标下建立整车多自由非线性耦合动力学整车模型。鉴于垂向自由度对车辆稳定性控制影响较小，因此课题验证模型充分考虑抗侧倾及抗倾俯仰作用以及车辆横纵向耦合关系，包括车身运动5个、车轮转向角4个、车轮旋转角4个以及方向盘输入角在内的14个自由度。整车模型复杂程度完全满足课题研究需求。图54WID、4WIS轮毂电动汽车整车动力学模型结构轮胎模型在车辆仿真模型中非常重要，对操纵稳定性控制研究影响极大，汽车运动和稳定性控制都是通过对轮胎六分力直接或者间接分配控制实现的，因此轮胎建模是整车模型中的关键。本项目拟采用“MagicFormula”轮胎模型建立充分考虑轮胎六分力的Pacejka2002轮胎模块，进行动力学仿真分析，并利用成熟商用轮胎特性数据进行比对验证。最后，利用对比仿真研究，在CarSim平台下完成整车模型验证。图6考虑六分力的轮胎模型示意4.3课题特色与创新性（1）全轮主动转向和横摆力矩集成控制研究基于DYC的分层式集成控制策略实现轮毂电动汽车稳定性控制技术的协调，可有效降低整车执行器复用共生引发的干扰，提高整车控制集成度；车辆纵向车速、质心侧偏角和横摆角速度等运动状态的联合控制，可有效应对车辆运动控制中的不确定性和非线性的问题，提高车辆在极限工况下的操纵稳定性；相较目前的AFS、ARS单独与转矩分配的集成控制，全轮主动转向与横摆力矩的协调可充分发挥轮毂电动汽车在运动跟踪和车辆位姿调整的优势，充分利用4WIS､4WID轮毂电动汽车的分布式驱动结构潜力，避免执行资源浪费，从而使整车有更佳平顺性和机动性。（2）基于执行器动态特性的多约束优化分配研究执行器的动态特性是设计过驱动系统考虑的关键，通过参数辨识建立考虑动态响应特性贴近真实的执行器模型，可为车辆稳定控制提供工程背景；系统地分析并研究驱动系统、制动系统和转向系统等在内的各执行器动态特性，可促进分布式驱动电动车分配控制理论的实用化；同时，基于执行器动态约束和频域特性的分配控制方法，能有效避免动态分配误差给平顺性、稳定性带来的消极影响；复杂多约束优化分配控制，可有效解决了传统集成控制由于约束缺失或定义不准确导致优化求解无法实现问题。课题可行性分析5.1理论可行分析传统汽车的集成控制和传统的集成控制方法都受制于以机械和液压操纵为主的传统底盘结构，具有很大的局限性。电子控制技术和电动汽车带来的电气化为传统汽车底盘技术的突破带来了革命性的契机，也使得汽车的整体集成控制成为可能。全轮转向与全轮驱动的轮毂电动车各大执行器运动相互独立，且控制实现上不产生额外的传感器依赖，能汽车集成控制提供了绝佳的硬件基础。鉴于，汽车电控系统在信息资源共享、能量动力保障、轮胎力等诸多方面也往往表现出了较强的耦合和冲突特征。近年来，汽车集成控制一直是国内外学术界和工业界的研究热点。先后提出了通过信息共享、设置协调器、子系统功能融合的集成理论，实现了ASR､TCS､ABS､ESP等主动安全系统的集成，针对分布式驱动则分别有基于AFS与DYC､ARS与DYC､SBW与DYC､BSW与DYC的集成理论出现，诸多的实例为全轮转向与横摆力矩集成控制提供丰富理论参考；针对单纯永磁同步电机的转矩控制理论也相当丰富，也能为基于执行器动态属性研究和转矩分配控制提供借鉴；至于基于执行器的动态约束的兼顾多目标控制策略，近年来也逐渐得到重视。因此，诸多学者以及车辆研发实例都为课题的实现提供坚实的理论基础。5.2技术可行分析项目组近年来，来一直从事汽车动力学建模与仿真、汽车电子控制和电机智能控制算法等领域的研究，先后参与完成了863子项目和国家自然科学基金与等相关多项课题，在汽车电子控制方面有着深厚的理论积累和实践工程经验。项目组老师可以为本课题的顺利完成提供高效支持和指导。自开始研究工作以来，先后系统性的学习汽车耦合动力学基本控制理论、电机拖动、经典控制论，熟悉了现代控制论基本原理，为课题研究做好的基本理论基础准备。目前，已经完成双轨七自由度非线性耦合动力学整车模型的搭建和验证工作，十四自由度高非线性模型也处在后期调试中，且基于CarSim的验证模型也基本搭建完毕。以上阶段性成果，能为课题研究提供坚实的技术途径。依托于实验室大型电动机测功机平台，和电机控制半物理仿真系统，能轻松的为永磁同步的参数辨识及其转矩控制修正提供实验平台；同时，全线控轮毂电动汽实验平台的搭建工作进展顺利，能后期理论验证提供实车测试平台。课题计划进度安排本课题计划利用一年半(2016.09-2018.03)完成，总体进度安排大致如下：2016.08以前完成全线控轮毂电动车实验平台基本硬件搭建工作，包括车辆机械结构设计计算、加工图纸绘制、装配调试、电器期间选型安装。学术指标：申请相关二项实用新型专利（目前已授权）2016.09-2016.10完成整车动力学控制基本理论、电机拖动理论，经典控制论的学习，实现对线性动力学模型整车模型的简单控制；学习验证平台CarSim使用与联合仿真应用。学术指标：申请相关专利发明二项（目前申请已受理）2016.11-2017.01查阅文献，收集课题资料。拟定下一步详细研究方案。结合项目前期基础理论学习成果，完成整车集成控制理论分析，完成控制结构框架和逻辑设计，完成轮毂电机的控制策略制定。搭建ＳＢＷ动力模型，实现耦合整车模型的非线性控制。学术指标：发表相关论文一篇（目前编辑在审）2017.02-2017.03通过理论抽象建立整车动力学数学模型，借助Simulink平台完成十四自由度高非线性整车模型以及包含六分力的耦合轮胎模型调试，并分别利用商用软件平台CarSim对模型正确性进行验证；对整车模型进行主动转向控制闭环控制。2017.04-2017.06利用电机大型测功机平台完成永磁同步电机离线参数辨识，其次基于辨识结果建立永磁同步电机动态模型，并完成电机外特性效率MAP图拟合工作；完成永磁同步电机模型与实际电机的比对验证。学术指标：发表相关论文一篇2017.07-2017.10细化全轮主动转向与全轮驱动集成控制策略，设计主动转向与ＤＹＣ集成控制器，进行执行器动态约束边界限定，制定兼顾目标的控制策略，进行仿真验证并修改完善控制。2017.11-2017.12编写控制代码，完成实车平台联调，并修正控制算法；完成验证后，获取实验数据，进行资料收集整理。学术指标：发表相关论文一篇2018.01-2018.03完成学术论文，完成课题结题报告，准备毕业答辩。课题研究基础7.1理论基础目前，已经完成整车动力学控制系统性学习，并也基本掌握相应经典控制论、电机拖动等相关理论；与此同时，相续完成线性单轨二自由车辆动力学模型、非线性单轨三自由度车辆动力学模型、非线性双轨度三自由度车辆动力学模型的搭建和验证工作；目前基于Simulink双轨七自由度非线性耦合动力学模型已搭建完毕，并且已经完成了相关验证，可进行线控4WIS整车动力学控制研究，能为目前高非线性的十四自由度动力学模型调试提供经验参考；此外，针对轮毂电动汽车的实车试验平台的设计、加工、装配调制工作也基本完成，并且对平台进行相应动力学仿真分析，能为后期算法验证提供平台支持；项目组老师及成员近年来一直从事汽车动力学建模与仿真、汽车电子控制和电机智能控制算法等领域的研究，奠定可靠的理论基础和积累丰富经验，能为课题的顺利进行提供强有力的理论支持。图9整车七自由度非线性耦合动力学模型图10全线控轮毂电动汽车试验平台图11基于ADAMS与CarSim的轮毂电动汽车试验平台动力学仿真模型图12基于ADAMS与CarSim的轮毂电动汽车试验平台联合仿真7.2硬件支持实验室有自由研发的半物理实时电机仿真平台、大型电动汽车测功机、汽车整车电路实验平台、NI信号采集系统、dSPACE系统等设备；实验室还拥有专业的汽车性能分析实验设备：大功率电机测功平台、功率分析仪、光纤陀螺仪、车速传感器、GPS等；此外，实验室先进的模数信号采集、分析系统也为试验样车场地试验数据的取得提供方便。与此同时，项目组为4WIS､4WID的理论研究与验证搭建了四轮分布式独立驱动、四轮独立转向轮毂电动车，都为本项目后期的联调验证提供了良好的平台支持。综上所诉，拥有的硬件资源足以满足课题研究需求。图13轮毂电机实验台架图14大型电动汽车电机测功机图15NI信号采集分析系统7.3软件支持目前，基本掌握专业车辆仿真软件CarSim､ADAMS，以及数值计算软件Matlab的使用，能够熟练的进行联合仿真等；熟悉Simulink及其相关工具箱的使用，可进行快速的控制实现和调试。以上软件平台支持可快速的控制算法及策略实现及调试。图16专业汽车仿真软件CarSim结构参考文献[1]国务院.国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划（2012―2020年）的通知[EB/OL].2012-06-28.[2]中国汽车技术研究中心，日产（中国）投资有限公司，东风汽车有限公司.新能源汽车蓝皮书：中新能源汽车产业发展报告（2014）[M].社会科学文献出版社,2014.[3]李刚.线控四轮独立驱动轮毂电机电动汽车稳定性与节能控制研究[D].吉林大学,2013.[4]刘明春.8×8轮毂电机驱动车辆操纵稳定性分析与控制研究[D].北京理工大学,2015.[5]DejunYIN,ManabuOMAE,HiroshiSHIMIZU,YoichiHORI.ActiveStabilityControlStrategyBasedonMaximumTransmissibleTorqueEstimation[J].JAutomotiveSafetyandEnergy,2011,2(1):34-38.[6]MakotoK.,KevinW.,HiroakiY..ImprovementofVehicleDynamicPerformancebyMeansofIn-WheelElectricMotors.MitsubishiMotorTechnicalReview,2006.[7]C.Geng,LotfiM.,MouloudD.,HoriY..Directyaw-momentcontrolofanin-wheel-motoredelectricvehiclebasedonbodyslipanglefuzzyobserver[C].IEEETrans.onIndusrialElectronics,2009.[8]KawashimaK.,UchidaT,HoriY..Rollingstabilitycontrolutilizingrolloverindexforin-wheel-motorelectricvehicle[C].IEEJTrans.onIndustryApplications,2010.[9]Nagai,Masao.ThePerspectiveofResearchforEnhancingActiveSafetyBasedonAdvancedControlTechnology[J].JAutomotivesafetyandEnergy,2010,1(1):14-22.[10]Rahman,K.M.,Patel,N.R.,etc.ApplicationofDirect-DriveWheelMotorforFuelCellElectricandHybridElectricVehiclePropulsionSystem[C].IEEETran.OnIndustryApplications,2006.[11]RongrongWang,YanChen,DaiweiFeng.Developmentandperformancecharacterizationofanelectricgroundvehiclewithindependentlyactuatedin-wheelmotors[J].JournalofPowerSources2011,196:3962-3971.[12]SIGVARDZ.ElectromechanicalSteering,Suspension,DriveandBrakeModules[C].VehicularTechnologyConference.2002,Vol.4:1856-1863.[13]JOHNK.Michelinre-inventsthewheel[J].Automotiveengineeringinternational,2008,116(11)：35-36.[14]LuXiong,ZhupingYuandYufengMeng.VehicleDynamicControlfora4In-Wheel-MotoredEVbasedonIdentificationofTireCorneringStiffness[C].AVEC10,2010.[15]邹广才，罗禹贡,李克强.四轮独立电驱动车辆全轮纵向力优化分配方法.清华大学学报(自然科学版)，2009，49（5）：719-722，727.[16]王博，罗禹贡等.基于控制分配的四轮独立电驱动车辆驱动力分配算法[J].汽车工程,2010,32（2）：128-132.[17]李刚，宗长富，陈国迎等.线控四轮独立驱动轮毂电机电动车集成控制[J].吉林大学学报（工学版），2012,42（4）:796-802.[18]陈国迎.四轮独立线控电动汽车试验平台搭建与集成控制策略研究[D].吉林大学,2012.[19]赵艳娥，张建武.基于滑模控制的四轮驱动电动汽车稳定性控制[J].上海交通大学学报，2009，43（10）：1526-1530.[20]杨福广.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